电能表掉电时信息快速存储保护电源电路的制作方法

本实用新型涉及一种电源电路，尤其涉及电能表掉电时信息快速存储保护电源电路。

背景技术：

电能表为计量产品，现场运行的电能表掉电时如果不能对数据进行及时保存，不仅会影响电量的准确计量,还会引起用电纠纷。因此，电能表都采用在主处理单元MCU的工作电源端进行大容量电解电容储能及电网掉电检测电路，以便在单片机停止工作前进行数据存储。一方面，现有电能表主处理单元MCU的供电电源一般采用78L05三端稳压器输出，输出端接大容量储能电解电容，以便在掉电时能有一定的延时，使MCU有时间进行数据存储等操作。但78L05一般输入-输出之间的压差超过4V才能有稳定的电压输出。因此，当电网掉电时，由于78L05三端稳压器输出端带有负载，因此当输入端的储能电解电容电压低于9V时其输出端可能就不能提供稳定的输出，从而使MCU停止工作。尤其是在南方电网使用环境下，由于气温高、湿度大，电能表长期运行后电解电容的性能会下降，从而使其容量减小储能不足，进一步加快了MCU停止工作的速度。另一方面，现有电能表掉电检测电路输入源直接取自电网，再经过电能表主处理单元MCU对其输出脉冲进行检测，以确定电网是否掉电。这种掉电检测电路的缺点是：

（1）由于电网电能质量有时很差，因此可能会存在瞬间扰动或者谐波幅度较大，因此掉电检测电路的输出脉冲中会出现干扰脉冲，从而引起MCU的误判。

（2）由于MCU（单片机）需要一直对脉冲进行计数以判断是否掉电，因此占用了MCU的一定资源，MCU的功耗也相应增大。

技术实现要素：

本实用新型针对以上问题，提供了一种性能稳定，不会引起单片机误判的电能表掉电时信息快速存储保护电源电路。

本实用新型的技术方案是：包括工作电源电路和电网掉电检测电路；所述工作电源电路包括工频变压器T1、整流模块Z1、储能电容C1、高频滤波电容C2、三端稳压器U1、储能电容C3、高频滤波电容C4、半波整流二极管D1、储能电容C5、高频滤波电容C6、三端稳压器U2、储能电容C7和高频滤波电容C8；

所述工频变压器T1的初级线圈1端与电网零线连接，电网火线与所述工频变压器T1的初级线圈3端连接；所述工频变压器T1的次级线圈7端和次级线圈6端分别与整流模块Z1的1输入端和2输入端连接；整流模块Z1的4输出端接地；

所述储能电容C1、高频滤波电容C2和三端稳压器U1分别并联；所述储能电容C1的输入端、高频滤波电容C2的输入端和三端稳压器U1的1输入端分别与整流模块Z1的3输出端连接；所述储能电容C1的输出端、高频滤波电容C2的输出端和三端稳压器的2输出端分别接地；

所述储能电容C3和高频滤波电容C4分别并联；所述储能电容C3的输入端和高频滤波电容C4的输入端分别与三端稳压器U1的3输出端连接；所述储能电容C3的输出端和高频滤波电容C4的输出端分别接地；

所述工频变压器T1的次级线圈5端与半波整流二极管D1的阳极端连接，所述半波整流二极管D1的阴极端与储能电容C5的输入端、高频滤波电容C6的输入端和三端稳压器U2的1输入端分别连接；所述储能电容C5、高频滤波电容C6和三端稳压器U2分别并联；

所述储能电容C7和高频滤波电容C8并联；所述储能电容C7的输入端和高频滤波电容C8的输入端分别与三端稳压器U2的3输出端连接；

所述工频变压器T1的次级线圈4端、储能电容C5的输出端、高频滤波电容C6的输出端、三端稳压器U2的2输出端、储能电容C7的输出端和高频滤波电容C8的输出端分别接地。

所述电网掉电检测电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、比较器U3-1、电阻R5、二极管D2、充放电电容C9、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C10、比较器U3-2、电阻R9、电阻R10、光耦U4、电阻R11、电容C11和单片机；

所述工频变压器T1的次级线圈5端与半波整流二极管D1的之间设有A连接端；

所述工频变压器T1的次级线圈4端接地，其之间设有B连接端；

所述电阻R1的输入端与A连接端连接；所述电阻R2的输入端与电阻R1的输出端连接，所述电阻R2的输出端接地；所述B连接端连接在电阻R2的接地端；所述比较器U3-1的3输入端连接在电阻R1和电阻R2之间；

所述电阻R3和电阻R4依次串联接地，所述电阻R3的输入端与数字电源连接；所述比较器U3-1的2输入端连接在电阻R3和电阻R4之间；

所述电阻R5输入端与数字电源连接，另一端连接至所述比较器U3-1与二极管D2之间；

所述比较器U3-1的1输出端与二极管D2的阳极端连接，二极管D2的阴极端与比较器U3-2的5输入端连接；所述充放电电容C9和电阻R6并联，其输出端分别接地，其输入端分别与二极管D2的阴极端连接；

所述电阻R7和电阻R8串联，所述电阻R7的输入端与数字电源连接，所述电阻R8的输出端接地；所述比较器U3-2的6输入端连接在所述电阻R7和电阻R8之间；所述电容C10一端与所述比较器U3-2的6输入端连接，另一端接地；

所述比较器U3-2的7输出端经电阻R9接入数字电源；所述光耦U4的阴极输入端与比较器U3-2的7输出端连接；所述光耦U4的阴极输入端经电阻R10接入数字电源；所述光耦U4的发射极接地；

所述电阻R11、电容C11和单片机分别并联，与所述光耦U4的集电极连接；所述光耦U4的集电极经电阻R11接入电源；所述电容C11的输出端接地。

所述三端稳压器U1的型号为：SPX29300U-5.0。

所述三端稳压器U1的型号为：78L05。

所述比较器U3-1选用LM393型号。

所述光耦U4选用PC817型号。

本实用新型中将三端稳压器U1和U2均更换为低压差线性稳压器，如SPX29300U-5.0，该三端稳压器在输入端为6V时仍然能输出稳定的5V电压。当负载电流小于等于10mA时，其输出电压范围为4.95V～5.05V；当负载电流在10mA～3A时，其输出电压范围为4.9V～5.1V。当电网掉电时，储能电容C1和C3将使电源VDD继续维持一段时间，储能电容C5和C7将使电源DVDD继续维持一段时间。本实用新型具有性能稳定，不会引起单片机误判、不占用了MCU资源，功耗低等特点。

附图说明

图1是本实用新型电能表工作电源电路图，

图2是本实用新型电能表电网掉电检测电路图，

图3是现有技术电能表工作电源电路图，

图4是现有技术电能表电网掉电检测电路图。

具体实施方式

本实用新型如图1-4所示，包括工作电源电路和电网掉电检测电路；所述工作电源电路包括工频变压器T1、整流模块Z1、储能电容C1、高频滤波电容C2、三端稳压器U1、储能电容C3、高频滤波电容C4、半波整流二极管D1、储能电容C5、高频滤波电容C6、三端稳压器U2、储能电容C7和高频滤波电容C8；

所述工频变压器T1的初级线圈1端与电网零线连接，电网火线与所述工频变压器T1的初级线圈3端连接；所述工频变压器T1的次级线圈7端和次级线圈6端分别与整流模块Z1的1输入端和2输入端连接；整流模块Z1的4输出端接地；

所述储能电容C1、高频滤波电容C2和三端稳压器U1分别并联；所述储能电容C1的输入端、高频滤波电容C2的输入端和三端稳压器U1的1输入端分别与整流模块Z1的3输出端连接；所述储能电容C1的输出端、高频滤波电容C2的输出端和三端稳压器的2输出端分别接地；

所述储能电容C3和高频滤波电容C4分别并联；所述储能电容C3的输入端和高频滤波电容C4的输入端分别与三端稳压器U1的3输出端连接；所述储能电容C3的输出端和高频滤波电容C4的输出端分别接地；

所述工频变压器T1的次级线圈5端与半波整流二极管D1的阳极端连接，所述半波整流二极管D1的阴极端与储能电容C5的输入端、高频滤波电容C6的输入端和三端稳压器U2的1输入端分别连接；所述储能电容C5、高频滤波电容C6和三端稳压器U2分别并联；

所述储能电容C7和高频滤波电容C8并联；所述储能电容C7的输入端和高频滤波电容C8的输入端分别与三端稳压器U2的3输出端连接；

所述工频变压器T1的次级线圈4端、储能电容C5的输出端、高频滤波电容C6的输出端、三端稳压器U2的2输出端、储能电容C7的输出端和高频滤波电容C8的输出端分别接地。

图3为现有电能表MCU工作电源电路。N为电网零线，L为电网火线。电网电压交流220V接入工频变压器T1的初级线圈1端和3端，2端为自耦端未用，次级线圈6端和7端分别接入整流模块Z1的交流输入端2和1，整流模块Z1输出的直流电压经储能电容C1和高频滤波电容C2后接入78L05三端稳压器U1的1输入端，在U1的3输出端输出5V直流电压VDD，VDD经储能电容C3和高频滤波电容C4后作为MCU的工作电压。工频变压器T1的次级线圈5接入半波整流二极管D1的阳极，D1的阴极经储能电容C5和高频滤波电容C6后接入78L05三端稳压器U2的1输入端，在U2的3输出端输出5V直流电压DVDD，DVDD经储能电容C7和高频滤波电容C8后作为电能表计量芯片等电路的工作电压。

该电路的不足之处是，三端稳压器78L05一般在输入-输出之间的压差超过4V才能有稳定的电压输出。因此，当电网掉电时，由于78L05输出端带有负载，因此当输入端的储能电解电容电压低于9V时其输出端可能就不能提供稳定的输出，从而使MCU停止工作。尤其是在南方电网使用环境下，由于气温高、湿度大，电能表长期运行后电解电容的性能会下降，从而使其容量减小储能不足，进一步加快了MCU停止工作的速度。

本实用新型针对图3现有电能表MCU工作电源电路存在的问题进行了改进，如图1所示。将三端稳压器U1和U2均更换为低压差线性稳压器，如SPX29300U-5.0，该三端稳压器在输入端为6V时仍然能输出稳定的5V电压。当负载电流小于等于10mA时，其输出电压范围为4.95V～5.05V；当负载电流在10mA～3A时，其输出电压范围为4.9V～5.1V。当电网掉电时，储能电容C1和C3将使电源VDD继续维持一段时间，储能电容C5和C7将使电源DVDD继续维持一段时间。由于低压差线性稳压器的输入-输出压差小于78L05，因此储能电容C1和C5的降至6V以下时电源VDD和DVDD才开始不能稳定输出，因此MCU的掉电保护时间将会比采用78L05时延长一段时间，具体时间多少与储能电容的容量大小和电容当前性能有关。

所述电网掉电检测电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、比较器U3-1、电阻R5、二极管D2、充放电电容C9、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C10、比较器U3-2、电阻R9、电阻R10、光耦U4、电阻R11、电容C11和单片机；

所述工频变压器T1的次级线圈5端与半波整流二极管D1的之间设有A连接端；

所述工频变压器T1的次级线圈4端接地，其之间设有B连接端；

所述电阻R1的输入端与A连接端连接；所述电阻R2的输入端与电阻R1的输出端连接，所述电阻R2的输出端接地；所述B连接端连接在电阻R2的接地端；所述比较器U3-1的3输入端连接在电阻R1和电阻R2之间；

所述电阻R3和电阻R4依次串联接地，所述电阻R3的输入端与数字电源连接；所述比较器U3-1的2输入端连接在电阻R3和电阻R4之间；

所述电阻R5输入端与数字电源连接，另一端连接至所述比较器U3-1与二极管D2之间；

所述比较器U3-1的1输出端与二极管D2的阳极端连接，二极管D2的阴极端与比较器U3-2的5输入端连接；所述充放电电容C9和电阻R6并联，其（充放电电容C9和电阻R6）输出端分别接地，其（充放电电容C9和电阻R6）输入端分别与二极管D2的阴极端连接；

所述电阻R7和电阻R8串联，所述电阻R7的输入端与数字电源（DVDD）连接，所述电阻R8的输出端接地；所述比较器U3-2的6输入端连接在所述电阻R7和电阻R8之间；所述电容C10一端与所述比较器U3-2的6输入端连接，另一端接地；

所述比较器U3-2的7输出端经电阻R9接入数字电源；所述光耦U4的阴极输入端与比较器U3-2的7输出端连接；所述光耦U4的阴极输入端经电阻R10接入数字电源；所述光耦U4的发射极接地；

所述电阻R11、电容C11和单片机分别并联，与所述光耦U4的集电极（C极）连接；所述光耦U4的集电极经电阻R11接入电源；所述电容C11的输出端接地。R10、R11和C11取值分别为4.7K、3K和33nF。

所述三端稳压器U1的型号为：SPX29300U-5.0。

所述三端稳压器U1的型号为：78L05。

所述比较器U3-1选用LM393型号。

图4为现有电能表电网掉电检测电路。电网零线分别经电阻R12、R13、R14后接入光耦U5的阳极输入端，电网火线接入光耦U5的阴极输入端，二极管D3为保护二极管。光耦U5的输出端经上拉电阻R15接电源VDD，同时经限流电阻R16后接入MCU的I/O口，输出端e极接地，MCU通过计算输入I/O口的脉冲频率确定电网是否掉电。由于电网为频率为50Hz的交流220V，当零线N处于正半周时，只要电网电压达到使光耦U5输入端导通的电压阈值时，光耦U5导通，光耦输出端C极输出低电平，MCU的I/O口输入为低电平。当零线N处于负半周时，光耦U5截止，光耦输出端C极输出高电平，MCU的I/O口输入为高电平。电网正常工作时，如此交替进行，MCU的I/O口输入端即为50Hz的脉冲信号。如果电网掉电，则MCU的I/O口输入端即为输入超过一个工频周期20ms的高电平，MCU由此判断电网掉电。

该电路的不足之处是，（1）由于电网电能质量有时很差，因此可能会在零线N和火线L之间存在瞬间扰动或者谐波幅度较大，从而使光耦U5发生非正常导通或截止，由于光耦速度很快，因此会在光耦的输出端出现干扰脉冲，从而引起MCU的误判。（2）由于MCU需要一直对脉冲进行计数以判断是否掉电，因此占用了MCU的一定资源，MCU的功耗也相应增大。

本实用新型针对图4现有电能表电网掉电检测电路的不足之处，实用新型了一种改进的电能表电网掉电检测电路，如图2所示，工频变压器T1的次级线圈5输出端和4输出端分别引出A端和B端，本实用新型中A端和B端的有效电压为交流12V。12V经电阻R1（R1取值1M）和R2（R2取值200K）分压后得到电压V1=(200/(200+1000))×12=2V，然后送比较器U3的同相输入端3，电源DVDD经电阻R3（R3取值39K）和电阻R4（R4取值1K）分压得到(1/(1+39))×5=0.125V送比较器U3的反相输入端2，比较器U3的输出端1经上拉电阻R5接电源DVDD。当A端处于正半周时，输出端1为高电平；当A端处于负半周时，输出端1为低电平。比较器U3的输出端1接入防反二极管D2的阳极，D2的阴极接入比较器U3的同相输入端5，D2的阴极同时接入充放电电容C9和充放电电阻R6。电源DVDD经电阻R7（R7取值15K）和R8（R8取值1K）分压后得到电压V2=(1/(1+15))×5=0.3125V，电容C10为滤波电容，电压V2送比较器U3的反相输入端6。本实用新型中选取R5、R6、C9和C10的值分别为3K、27K、220nF和100nF，防反二极管D2选用硅二极管M7，其正向导通电压为0.7V。R6上的电压分压为：V3=(27/(3+27))×(5-0.7)=3.87V。当比较器U3的输出端1为高电平时，电压DVDD经电阻R5、二极管D2对电容C9充电，直至充电至电阻R6上的分压电压结束。当电容C9的初始电压为0V时，根据电容充电公式，3.87=5×(1-exp(-t1/R5C9)),将相应参数代入公式可得充电时间t1=10ms，即为工频周期的一半，也就是说在电压正半周内将电容C9充电至3.87V。比较器U3的输出端7经上拉电阻R9接入电源DVDD，同时接入光耦U4的输入端的阴极，此时，比较器U3的输出端7为高电平。光耦U4的输出端C极为高电平，并送至MCU的外部中端口INT0，外部中断口INT0配置为下降沿有效。当A端处于负半周时，比较器U3的输出端1为低电平。当比较器U3的输出端1为低电平时，由于防反二极管D2的作用，电容C9经电阻R6放电，直至降至比较器U3的反相输入端6的电压0.3125V以下时比较器翻转。根据电容放电公式，0.3125=3.87×exp(-t2/R5C9)，可得电容C9的放电时间为15ms。因此，在负半周10ms时间内电容C9的电量并未放完，此时比较器U3的同相输入端5的电压仍然高于0.3125V，比较器U3的输出端7仍然为高电平。光耦U4的输出端为高电平，并送至MCU的外部中端口INT0。因此，正常工作时，MCU的外部中端口INT0始终为高电平，外部中断不触发。当电网掉电时，比较器U3的输出端1始终为低电平，电容C9经电阻R6放电，直至降至比较器U3的反相6输入端的电压0.3125V以下时比较器翻转。此时，比较器U3的7输出端为低电平，光耦U4导通，光耦U4的输出端C极为低电平，MCU的外部中端口INT0出现下降沿，外部中断触发，MCU进入数据保护中断程序。

由于变压器初级线圈和次级线圈的耦合时间很短，同时电容C9放电引起比较器U3的输出端7翻转为低电平的放电时间为15ms，比较器和光耦的翻转时间为几百ns，因此从电网掉电到MCU外部中断触发时间不超过20ms，即一个工频周期，因此满足了电网掉电检测的实时性。同时，由于电能表电源变压器为工频变压器，其工作频率设计为50Hz，因此电网中的高频扰动脉冲或谐波一般不会传输到变压器次级。同时由于变压器变比较大，因此即使有一定频率和幅度的扰动脉冲或谐波传输到变压器次级，其实际幅度也很小。再经过分压后，其实际幅度可以忽略不计，因此不会对掉电检测电路的输出脉冲产生影响。当然，由于电网正常工作时电能表MCU不处理掉电检测程序，因此MCU的资源得到更合理应用，功耗也相应降低。